STRÄLSKYDDSBERKKNIPOR FÖR KVARVARANDE STRÅLNING FÖR NÄGRA BOSTADSHUS Göran Daniel son

Transkript

1 Försvarets Forskningsanstalt Huvudavdelning Stockholm FOA rapport C A3 Mars 1981 STRÄLSKYDDSBERKKNIPOR FÖR KVARVARANDE STRÅLNING FÖR NÄGRA BOSTADSHUS Göran Daniel son Antal blad 19 Sammanfattning Rapporten redovisar strålskyddsberäkningar för kvarvarande strålning, vilka utförts för våningsplanen i några bostadshus. De beräknade skyddsfaktorerna har utgjort underlag till Radiak 78. Vissa värden har även använts i TOX-studien. Småhusberäkningarna omfattar p.i-c enkla exempel på en- och tvåplansvillor, både med och utan kä 1 * e I rapporten visas att man för våningsplanen i sådana småhus kan a «n~$ skyddsfaktorn 0,4 för trähus och 0,2 för tegel- och lättbetonghus. Som exempel på flerbostadshj 1 uar valts tre sexvåningshus. Beräkningar redovisas för två punkter arje våningsplan och för fyra alternativ beträffande markbeläggningci > utsträckning. De beräknade skyddsfaktorvärdena ligger i intervallet 0,01-0,2. Uppdragsnummer: A3 43 Sänd Ii sta: Cfs (3 ex), Stat strålskyddsinstitut (2 ex), Studsvik Energiteknik AB (3 ex), SKI (2 ex), FOA 1 (4 ex), FCA 3, FOA 4 (2 ex) FOA 2: 210, 211 (16 ex), 283, 284

2 Innehallsförteckning 1. Inledning 3 2. Definitioner 4 3. Småhus Dimensioner och masstjocklekar Radioaktiv beläggning Beräknade skyddsfaktorer Känslighetsanalys 7 4. Flerbostadshus Beräkningens omfattning Ingångsdata för fristående byggnader Markbeläggningsdata Skyddsfaktorvärden Fortsatt arbete 13 Referenser 14 Figurer 15 Tabeller 18

3 1 Inledning Rapporten redovisar de beräkningar som utförts för att till förstudien till Radiak 78 - översynen av totalförsvarets radiakskyddsorganisation - ta fram representativa strålskyddsdata för våningsplanen i småhus och flerbostadshus. Några av dessa data har även använts i en del av den s k TOX-studien (Finck m fl 1980) för att bedöma vissa konsekvenser av kärnkraftsolyckor. Strålskyddsvärdena ges i form av skyddsfaktorer (definition: se kapitel 2) för kvarvarande strålning, dvs för gammastrål ning frän radioaktivt nedfall efter en ytexplosion av en kärnladdning. Skyddsfaktorerna har beräknats med datorprogrammet KVAST (Elvers m fl 1979), vilket använder en amerikansk beräkningsmetod, som kallas standardmetoden (DCPA 1976, Elvers m fl 1979). Trots att strålkällan i standardmetoden är den radioaktiva beläggningen på byggnadens tak och på den omgivande marken efter en kärnladdningsexplosion, användes KVAST även för att beräkna skyddsfaktorvärdena till TOX-studien. Orsaken till detta är litteraturuppgifter (Burson & Profio 1975, Elvers m fl 1979), enligt vilka byggnader ger ungefär samma skydd mot gammastrålning från beläggning på mark och tak efter omfattande radioaktivitetsutsläpp från en reaktor som mot kvarvarande strålning från en ytexplosion. 3

4 2 Definitioner Skyddsfaktorn för kvarvarande strålning i en punkt i en byggnad - som den beräknas med standardmetoden och datorprogrammet KVAST - definieras som kvoten mellan dosen i denna punkt och dosen i en punkt 1 m ovanför ett horisontellt, jämnt, oändligt plan med samma typ av beläggning som på marken omkring byggnaden och på byggnadens tak. (Att skyddsfaktorn i en punkt i en byggnad är mindre än i en annan punkt innebär således att skyddet mot kvarvarande strålning är bättre i den förra punkten än i den senare.) En byggnad karakteriseras bl a av masstjockleken i dess väggar, golv och tak, vilken är produkten av respektive materialskikts tjocklek och matep rialets densitet. Masstjockleken uttrycks i kg/m. För kvarvarande strålning och alla vanligen förekommande byggnadsmaterial gäller att strålningsdämpningen som funktion av masstjockleken är oberoende av vilka material som ingår i byggnadens väggar, golv och tak. I skyddsfaktorberäkningarna med standardmetoden och KVAST beskrivs fönster- och dörröppningarna i byggnadens ytterväggar mera detaljerat för det våningsplan i vilket beräkningspunkten finns - i fortsättningen betecknat beräkningsvåningen - än för övriga våningar. För de senare är det tillräckligt att ange hur stor del av ytterväggen i respektive våning som upptas av öppningar. Men för beräkningsvåningen måste öppningarnas läge specificeras, varvid de antas vara likformigt fördelade inom en horisontell öppningsremsa längs hela ytterväggen. Om någon del av öppningsremsan ligger under beräkningspunktens nivå, kan remsans exakta läge påverka skyddsfaktorn avsevärt. Om däremot hela remsan ligger ovanför denna nivå, påverkas skyddsfaktorvärdet givetvis av hur stor den totala öppningsandelen av hela ytterväggen är, men ej av remsans läge eller storlek. Samtliga skyddsfaktorvärden som redovisas i denna rapport gäller beräkningspunkter, som ligger 1 m ovanför beräkningsväningens golv, och öppningar i beräkningsvåningens yttervägg, vilkas underkant ligger minst 1 m ovanför detta golv. Skyddsfaktorer som beräknats på detta sätt kan antas vara representativa för skyddssituationen vid längre vistelse i byggnader inom ett belagt område.. i

5 Med vaningshöjd avses i denna rapport avståndet från golv till tak i respektive våningsplan plus takbjälklagets tjocklek.

6 Småhus 3.1 Dimensioner och masstjocklekar Skisser av de fyra geometrier för vilka skyddsfaktorer beräknats ges i figur 1. Dimensioner och masstjocklekar för byggnaderna med källare är desamma som i tidigare utförda strålskyddsberäkningar på FOA (Schelin 1977). Varje kal lar I öst hus är identiskt med våningsplanet (våningsplanen) i någon av dessa tidigare använda byggnader. Alla innerväggar antas ha så liten masstjocklek att de helt kan negligeras. De sex beräkningspunkterna ligger centralt 1 m ovanför respektive golv och betecknas A-F i figur 1. Alla golv och tak är kvadratiska med ytan 9x9 m. Vaningshöjden är 2,5 m, och källartaken ligger 1,2 m över marknivån. Småhusens ytterväggar består huvudsakligen av trä, med masstjockleken kg/m, respektive av tegel eller lättbetong, med masstjockleken kg/m. Masstjockleken i yttertaket, inklusive översta våningens o takbjälklag, är 200 kg/m, och i golvet i tvåvåningshusens övervåning kg/m. Källaren förekommer i fyra alternativa utföranden vad beträffar materialet i väggar och tak. De minsta masstjockieksvärdena för 2 dessa är 400 respektive 150 kg/m. Våningsplanens ytterväggar består till 15 % av öppningar, se vidare kapitel 2. Källarväggarna saknar öppningar - eller har öppningar igensatta med exempelvis sandsäckar med minst samma masstjocklek som i källarväggen. 3.2 Radioaktiv beläggning Den radioaktiva beläggningen finns på byggnadens tak och på marken omkring byggnaden. Med KVAST kan man behandla markbeläggningens utsträckning på två alternativa sätt. Antingen anges beläggningen intill varje yttervägg ha oändlig utsträckning - i praktiken minst något hundratal meter, eller också utgörs den av en jämnbred beläggningsremsa längs ytterväggen, och remsbredden, i regel något tiotal meter, läses in. Det

7 senare fallet innebär en möjlighet att ta hänsyn till sådan omgivande bebyggelse som helt avskärmar strålningen frän bakomliggande ir.arkbeläggning. I samtliga beräkningar för småhus som redovisas i denna rapport har fallet med oändlig beläggning använts. Detta antas dock vara representativt även för byggnader inom sådana småhusområden, i vilka de omgivande låga byggnaderna ligger relativt glest. 3.3 Beräknade skyddsfaktorer De beräknade skyddsfaktorerna för våningsplan ges i tabell 1. Trots att fyra olika masstjocklekskombinationer användes for källaren, ger tabellen endast ett värde per beräkningspunkt och yttervägg för punkterna A, B och C. Detta beror på att valet av källaralternativ inte påverkade dessa skyddsfaktorvärden. (Inte heller enstaka mindre öppningar i källarväggen skulle påverka skyddsfaktorn i dessa fall.) Som framgår av tabell 1 är skyddsfaktorvariationen relativt liten, då ytterväggens masstjocklek hålls konstant. För båda ytterväggsalternativen är det minsta skyddsfaktorvärdet 70 % av det största värdet. De skyddsfaktorer som betecknas som medelvärden i tabellen är de aritmetiska medelvärdena för respektive ytterväggstyp. Beräkningar, i vilka källartaken ligger 0,5 m över marknivån och/eller öppningsandelen i våningsplanens ytterväggar är %, ger samma medelvärden som i tabell 1. Även beräkningar för rektangulära i stället för kvadratiska golv/tak med bibehållen yta ger samma medelvärden. (För en punkt i centrum av källaren blir skyddsfaktorn i samtliga fall mindre än 0,07.) 3.4 Känslighetsanalys För att få en uppfattning om hur känslig den med standardmetoden beräknade skyddsfaktorn är för måttliga variationer i masstjocklek och dimensioner, inklusive öppningsandelen av ytterväggen samt beräkningspunktens läge relativt ytterväggen, har ytterligare beräkningar utförts. I dessa ökades respektive minskades de ingångsvärden som anges i avsnitt 3.1 minst %, men resultaten av beräkningarna skiljer sig inte mer än högst % - ofta betydligt mindre - från värdena i tabell 1. 7

8 Som exempel kan nämnas: a) Medelvärdena i tabell 1 ökar högst 5 % t då beräkningspunkten flyttas vinkelrätt mot ytterväggen respektive diagonalt, så att minsta avståndet till ytterväggen blir en fjärdedel av husets bredd (med bibehållet avstånd till beräkningsvåningens golv). b) Medelvärdena ändras ca % vid en tjugoprocentig ändring av ytterväggens masstjocklek. c) Motsvarande ändring av masstjockleken i golv och tak ger 2-10 % ökning eller minskning av skyddsfaktorn. d) En tioprocentig ökning eller minskning av våningshöjden respektive byggnadsbredden ändrar skyddsfaktorvärdet endast någon procent. Skyddsfaktorerna 0,4 för småhus av trä och 0,2 för småhus av tegel eller lättbetong torde således kunna användas som representativa medelvärden för våningsplan i småhus.

9 4 Flerbostadshus 4.1 Beräkningens omfattning Beräkningarna utfördes för tre flerbostadshus med en gemensam byggnadsgeometri, ett sexvåningshus med källare. Utgångsexemplet är baserat på en byggnad, för vilken data beträffande dimensioner, väggar och bjälklag fanns lätt tillgängliga, eftersom den redan tidigare använts i vapenverkansberäkningar. Denna byggnad, som även ingår i den nyligen utgivna typhuskatalogen (Oscarsson & Lindqvist 1980), brukar betecknas "Viksjö hög". För de båda övriga beräkningsbyggnaderna användes lägre masstjockleksvärden, schablonmässigt valda, för ytterväggarna; i övrigt var byggnaderna identiska. Dessa masstjockleksvärden valdes så att man erhöll ett exempel på flerbostadshus med "tunga" ytterväggar, ett med "medeltunga" ytterväggar och ett med "lätta" ytterväggar. Beräkningarna utfördes för två beräkningspunkter i varje våningsplan. Dessutom studerades hur omgivande bebyggelse inverkar på skyddsfaktorvärdet samt hur källarens läge relativt marknivån påverkar skyddsfaktorerna i de olika våningsplanen. 4.2 Ingångsdata för fristående byggnader I figur 2 finns skisser av beräkningsbyggnaden, sedd från sidan, och ett av de sex identiska våningsplanen, sett ovanifrån. Våningsplanen betecknas I, II,... VI och beräkningspunkterna b respektive H. De innerväggar som ingår i skyddsfaktorberäkningarna med KVAST är endast de tunga, i regel bärande, innerväggarna. Skissen av våningsplanet i figur 2 innehåller därför endast sådana innerväggar. De väggar som streckats i figuren är de ytterväggar och tunga innerväggar vilkas masstjocklek och läge inte ingår i beräkningarna för punkterna G och H. Avstånden mellan övriga väggar ges i figuren. Våningshöjden är 2,7 m, och beräkningspunkterna ligger 1 m ovanför respektive golv. G ligger centralt i ett hörnrum i byggnaden och H cen-

10 trait i ett rum mitt på byggnadens långsida. (Med "rum" betecknas här de enheter i våningsplanen som återstår, sedan de tunna innerväggarna negligerats.) öppningsandelen i våningsplanens ytterväggar är 30., se vidare kapitel 2. Innerväggarnas masstjocklek, sedan korrigering utförts för innerdörrar, 2 är 330 kg/m. Ytterväggens masstjocklek är i den ursprungliga byggnaden? kg/m (betong) och i de båda övriga 210 kg/m (lättbetong) respektive o 115 kg/m (lättelement av lättbetong). Masstjockleken i samtliga våningsbjälklag - inklusive yttertaket - är 430 kg/m. I de beräkningar vilkas resultat redovisas i tabell 2 ligger källaren helt under mark. Detta beräkningsfall ger en övre gräns för skyddsfaktorn. För att i någon mån illustrera hur skyddsfaktorn minskar då källaren ligger delvis ovan mark har beräkningar även utförts for det fall då 2 källartaket, med masstjockleken 680 kg/m, är 1,4 m ovanför marknivån. Masstjockleken i källarens yttervägg, som saknade öppningar eller hade 2 igensatta öppningar, se avsnitt 3.1, var 480 kg/m. 4.3 Markbeläggningsdata Som nämndes i avsnitt 3.2 ingår i KVAST två alternativa möjligheter att ange markbeläggningens utsträckning. Båda dessa alternativ har utnyttjats i beräkningarna för flerbostadshusen. Fallet med ändliga beläggningsremsor motsvarar beläggningen i ett tätortsområde med flerbostadshus längs gatornas båda sidor, varvid remsbredden är avståndet mellan byggnadernas fasader tvärs över gatan. Beräkningarna har utförts för remsbredden 15, 30 respektive 40 m. I KVAST-beräkningarna antas då hustaken mittemot beräkningsbyggnaden ligga på en sådan nivå relativt beräkningsvåningen att strålningen från beläggningen på dessa tak ger ett försumbart dosbidrag i beräkningspunkten. Fallet med oändlig beläggning ger skyddsfaktorer, som dels kan användas som en övre cr^ns för skyddsfaktorvärdet i sådana tätortsområden, dels är fitlsmnl-.; * på fristående flerbostadshus i exempelvis relativt glest bebyggda f'vortsområden. Beräkningspunkterna G och H har valts för att i tätortskvarter representera en byggnad som ligger i ett gathörn, med samma remsbredd för de

11 båda gator som bildar hörnet, respektive en byggnad längre in i kvarteret. För att få en realistisk geometri antas kvarteren bestå av flera sammanbyggda hus av den typ som beskrivs i avsnitt 4.2. I KVAST-beräkningarna anges väggdata för endast de första två väggarna i varje horisontell riktning, räknat från beräkningspunkten. Härav följer att beräkningarna för punkten G för ett fristående hus och för sammanbyggda hus blir identiska. För punkten H i ett av de mellersta husen i sammanbyggda huslängor är däremot de båda kortsidorna i figur 2, 11,7 m från H, inte längre ytterväggar utan innerväggar. Samtliga värden i tabell 2 för punkten H har därför beräknats utgående frän att dessa väggar är innerväggar med ur beräkningssynpunkt godtycklig masstjocklek. Dessa tabell värden är dock högst några få procent mindre än motsvarande värden för enstaka, fristående byggnader. 4.4 Skyddsfaktorvärden Både tabell 2 och figur 3 innehåller samtliga beräknade skyddsfaktorer för fallet med källaren helt under mark för de tre typerna av ytterväggar och de fyra markbeläggningsalternativen. Tabellen ger även aritmetiska medelvärden för da sex våningsplanen. (Dessa värden ges med det minsta antal siffror som behövs för att åskådliggöra hur medelvärdet varierar med markbeläggningens storlek.) Medelvärdena för beräkningspunkten H vid oändlig beläggning, 0,02, 0,05 respektive 0,08, användes för flerbostadshusen i TOX-studien (Finck m fl 1980). Beräkningarna för det fall då 1,4 m av källarväggen ligger ovan mark ger genomgående lägre skyddsfaktorvärden. Den procentuella skillnaden jämfört med tabell värdena är störst för våning I och minskar successivt ju högre upp i byggnaden beräkningspunkten ligger. För våning I är skyddsfaktorerna % mindre än tabell värdena och för våning VI 1-8 % mindre. De i avsnitt 4.2 angivna masstjockleksvärdena för källaren ingår endast i beräkningarna för våning I. (För punkter i flerbostadshusens källare blir skyddsfaktorvärdet för samtliga geometrier och markbeläggningsalternativ mindre - i många fall avsevärt mindre - än 0,02.) Dosen från kvarvarande strålning i en punkt i en byggnad är summan av dosbidraget från markbeläggningen och dosbidraget från takbeläggningen. 11

12 Enligt skyddsfaktordefinitionen kan man därför tala om ett markbidrag och ett takbidrag till skyddsfaktorn. Markbidraget är normalt störst i bottenvåningen och minskar successivt ju högre upp i byggnaden beräkningspunkten ligger. Takbidraget är däremot störst i den översta våningen och blir allt mindre ju lägre beräkningspunkten ligger i byggnaden. I de beräkningsfall som redovisas i tabell 2 är takbidraget mindre än 1 % av skyddsfaktorn i våningarna I -I V, 1-10 % av skyddsfaktorn i våning V och % av skyddsfaktorn i våning VI. För varje kombination av byggnad och markbeläggning är skyddsfaktorvärdet minst i våning V (i ett par fall i våningarna IV och V). 12

13 5 Fortsatt arbete Som framgår av kapitel 3 och 4 har endast några få, enkla geometrier använts i stralskyddsberäkningarna för TOX-studien och Radiak 78. Orsaken härtill är dels att beräkningarna till att börja med måste utföras för hand innan datorprogrammet KVAST var färdigt, dels att man av tidsskäl inte hade möjlighet att ta fram helt nya data för representativa, verkliga byggnader som underlag för dessa beräkningar. Situationen beträffande möjligheten att utföra strälskyddsberäkningar för bostadshus har nu förändrats i och med utgivningen av typhuskatalogen (Oscarsson & Lindqvist 1980). Det fortsatta arbetet med mera detaljerade beräkningar kommer därför att i första hand utföras för våningsplan, källarplan och skyddsrum i dessa sju typhus (fem flerbostadshus och två enbostadshus). För sådana strålskyddsberäkningar finns nu - förutom KVAST för kvarvarande strålning - även datorprogrammet BAC för initialstrålning (Danielson 1980) tillgängligt vid FOA. 13

14 Referenser Burson, Z G & Profio, A E: Structure Shielding from Cloud and Fallout Gamma Ray Sources for Assessing the Consequences of Reactor Accidents. EG&G EGG , 1975 Danielson, G: BAC - ett datorprogram för beräkning av byggnaders skyddsfaktorer för initial strålning. FOA C A2, 1980 DCPA: Shelter Design and Analysis. Fallout Radiation Shielding. Defense Civil Preparedness Agency TR-20 (Vol 1), 1976 Elvers, E & Nilsson, M & Danielson, G: KVAST - ett datorprogram för beräkning av byggnaders skyddsfaktorer för kvarvarande strålning. FOA C A2, 1979 Finck, R m fl: Konsekvenser och åtgärder vid stora utsläpp av radioaktiva ämnen från svenska kärnkraftverk under beredskap och krig. FOA A 4OO32-A1(A3), 1980 Oscarsson, B & Lindqvist, S: Typhuskatalog för studier av vapenverkan i bebyggelse. FOA C D4(A3), 1980 Schelin, 0: Personligt meddelande,

15 15 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx A»B xxxxxxx»»»mm «F»D Figur 1. Småhusen, sedda frän sidan, med beräkningspunkterna A-F. Markoch takbeläggningen markeras med kryss i figuren.

16 16 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx m r T II 4.5 m»g 6.6 m 8,4 m 4,5 m Figur 2. Flerbostadshuset, sett från sidan, och våningsplanet, sett ovanifrån. Mark- och takbeläggningen markeras med kryss, och våningsplanen betecknas I-VI. I figuren anges även de avstånd mellan väggar som ingår i skyddsfaktorberäkningarna för beräkningspunkterna G och H.

17 17 Skyddsfaktor 0,20 Y Våningsplan izi Skyddsfaktor m y Våningsplan Skyddsfaktor 0, kg/m 2 m ET Y Våningsplan Figur 3. Skyddsfaktorer för våningsplanen I-VI i flerbostadshusen. Ytterväggarnas masstjocklek är 115, 210 respektive 480 kg/ir Kurvorna för beräkningspunkt G är heldragna och för beräkningspunkt H streckade- Värdena för remsbredden 15 m betecknas med a, för remsbredden 30 m med b, för remsbredden 40 m med c och för oändlig beläggning med d.

18 18 Tabell 1. Skyddsfaktorer för småhus (se figur 1) med ytterväggarnas 2 masstjocklek 100 respektive 250 kg/m och oändlig beläggning Beräkningspunkt Yttervägg? 100 kg/m 250 kg/m A 0,37 0,23 B 0,33 0,18 C 0,32 0,21 D 0,46 0,26 E 0,42 0,21 F 0,35 0,22 Medelvärde 0,4 0,2

19 Tabell 2. Skyddsfaktorer för flerbostadshus (se figur 2) med ytterväggarnas masstjocklek 115, 210 respektive kg/m och markbeläggning med remsbredden 15, 30 respektive 40 m eller med oändlig utsträckning Beräknings- Våning Yttervägg = 115 kg/m punkt 15 m 30 m 40 m oändl G I 0,14 0,16 0,17 0,20 II 0,063 0,093 0,10 0,14 III 0,034 0,064 0,075 0,11 IV 0,026 0,044 0,056 0,097 V 0,023 0,032 0,044 0,088 VI 0,037 0,043 0,050 0,096 Medelvärde 0,05 0,07 0,08 0,12 Yttervägg =210 kg/m 15m 30 m 40 m oändl 0,091 0,10 0,11 0,13 0,047 0,065 0,071 0,092 0,028 0,047 0,053 0,076 0,022 0,035 0,042 0,066 0,020 0,026 0,035 0,061 0,035 0,040 0,043 0,071 0,04 0,05 0,06 0,08 Yttervägg = 480 kg/m 15m 30 m 40 m oändl 0,043 0,045 0,047 0,052 0,028 0,033 0,034 0,040 0,021 0,026 0,028 0,033 0,017 0,022 0,024 0,030 0,016 0,019 0,022 0,029 0,032 0,034 0,035 0,043 0,026 0,030 0,032 0,038 I 0,039 0,10 0,11 0,12 II 0,043 0,061 0,067 0,085 III 0,024 0,043 0,050 0,070 IV 0,016 0,031 0,038 0,060 V 0,015 0,023 0,031 0,055 VI 0,030 0,034 0,040 0,066 Medelvärde 0,04 0,05 0,06 0,08 0,058 0,065 0,068 0,078 0,031 0.C41 0,045 0,055 0,019 0,030 0,034 0,047 0,014 0,023 0,027 0,040 0,013 0,018 0,023 0,037 0,028 0,031 0,035 0,050 0,027 0,035 0,039 0,051 0,027 0,028 0,029 0,032 0,018 0,020 0,021 0,024 0,013 0,016 0,017 0,021 0,011 0,014 0,015 0,018 0,011 0,013 0,014 0,018 0,026 0,028 0,029 0,033 0,018 0,020 0,021 0,024